AT5217U1 - Verfahren zum geregelten betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

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AT5217U1
AT5217U1 AT0074901U AT7492001U AT5217U1 AT 5217 U1 AT5217 U1 AT 5217U1 AT 0074901 U AT0074901 U AT 0074901U AT 7492001 U AT7492001 U AT 7492001U AT 5217 U1 AT5217 U1 AT 5217U1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betrieb einer Brennkraftmaschine, welche zumindest in einem Motorbetriebsbereich homogen selbstgezündet betrieben wird, wobei der Verbrennungsablauf durch Messen zumindest einer verbrennungsrelevanten Kenngröße aus der Gruppe Verbrennungsbeginn, Verbrennungsdauer und Verbrennungsrate überwacht und ausgewertet wird, und aufgrund der Verbrennungsauswertung zumindest ein verbrennungsrelevanter Parameter für die nächstfolgenden Verbrennungen geregelt wird. Um auf möglichst einfache Weise die Verbrennung im homogenen Selbstzündungsbetrieb zu stabilisieren, ist vorgesehen, dass zur Regelung der Verbrennung das Turbulenzniveau im Brennraum verändert wird, wobei zur Stabilisierung der Verbrennung das Turbulenzniveau kurzfristig erhöht wird.

Description


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  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betrieb einer Brennkraftma- schine, welche zumindest in einem Motorbetriebsbereich homogen selbstgezün- det betrieben wird, wobei der Verbrennungsablauf durch Messen zumindest einer verbrennungsrelevanten Kenngrösse aus der Gruppe Verbrennungsbeginn, Verbrennungsdauer und Verbrennungsrate überwacht und ausgewertet wird, und aufgrund der Verbrennungsauswertung zumindest ein verbrennungsrelevanter Parameter für die nächstfolgenden Verbrennungen geregelt wird. 



  Die Verbrennung eines durch Selbstzündung entflammten mageren Kraft- stoff/Luft-Gemisches hat den Vorteil, dass wegen der homogenen Konzentrati- ons- und Temperaturverteilung äusserst niedrige Emissionswerte für NOx und Russ erzielt werden. Dieses Verfahren wird im englischen Sprachraum als "HCCI- Verfahren" (Homogenous Charge Compression Ignition) bezeichnet. Der geringe Gehalt an NOx-Abgas resultiert beim HCCI-Verfahren daher, dass die Verbren- nung an einer Vielzahl von Zündorten beginnt, wodurch die Verbrennung mit re- lativ geringer Verbrennungstemperatur abläuft. Benzin hat für das HCCI- Verfahren wegen seiner sehr niedrigen Selbstzündungswilligkeit und des niedri- ger liegenden Siedebereiches zwischen etwa 30  und 190  grosse Vorteile gegen- über Dieselkraftstoff.

   Das Verdichtungsverhältnis kann hier, ähnlich wie beim Dieselmotor, auf Werte von etwa 15 bis 17 angehoben werden. 



  Bei einer mit Selbstzündung betriebenen Otto-Brennkraftmaschine kann der Zeitpunkt der Gemischentzündung nicht mehr wie bei einer Otto- Brennkraftmaschine mit Fremdzündung durch das eigentliche Zündereignis an der Zündkerze eingeleitet werden, sondern für die Einleitung der Verbrennung ist bei dieser Betriebsart nur mehr die Zylinderladung und speziell die Ladungszu- sammensetzung im Brennraum wie Druck, Temperatur und Luft- /Kraftstoffverhältnis   #   von Bedeutung. 



  Bei der Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung wird die Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches durch Erhöhen der Temperatur und des Drucks im Brennraum während der Kompressionsphase bewirkt. Damit die Zündung aber auch tatsächlich auftritt, muss die Zylinderladung beim Start der Kompressions- phase richtig konditioniert sein. Einen wesentlichen Einfluss auf den Start der Verbrennung haben dabei das Verdichtungsverhältnis   #   der Brennkraftmaschine, sowie die Mischtemperatur Tmisch der Zylinderladung zu dem Zeitpunkt, bei dem alle Gaswechselventile geschlossen sind und die Kompressionsphase beginnt.

   Der Vorteil eines hohen Verdichtungsverhältnisses besteht darin, dass die Ladungs- temperaturen zu Beginn des Kompressionstaktes nicht so hoch sein müssen, da 

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 aufgrund des kleineren Endkompressionsvolumens höhere Endtemperaturen er- reicht werden können. 



  Eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Verbrennung besteht in der Änderung der Ansauglufttemperatur, die im Wesentlichen die Ladungstemperatur im Zylinder beeinflusst. Der Zusammenhang ist der, dass die Lage der Verbrennung immer weiter in Richtung des oberen Totpunktes der Zündung wandert, je höher die Ansauglufttemperatur und in weiterer Folge auch die Mischtemperatur der Zylin- derladung zu Beginn der Kompressionsphase ist. Um unter normalen Randbedin- gungen, das heisst bei Ansauglufttemperaturen von etwa 25 C bis 30 C einen HCCI-Motorbetrieb zu ermöglichen sind sehr hohe Abgasrückführraten in der Grössenordnung von über 50% notwendig, um entsprechende Startbedingungen für die Zylinderladung zuschaffen. 



  In den Veröffentlichungen WO 98/07973 A1 und WO 98/10179 A2 sind Verfahren zu Verbrennungsregelung bei homogen selbstgezündet betriebenen Brennkraft- maschinen geoffenbart. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer mit homogen selbstzündbarem Kraft- stoff/Luft-Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine ein einfaches Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufes vorzuschlagen. 



  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zur Regelung der Verbrennung das Turbulenzniveau im Brennraum verändert wird, wobei zur Stabilisierung der Verbrennung das Turbulenzniveau kurzfristig erhöht wird. 



  In einer besonders einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Erhöhung des Turbulenzniveaus der Öffnungszeitpunkt zumindest eines 
Einlassventils in Richtung des oberen Totpunktes der Zündung verschoben wird. 



   Die Erfindung macht sich dabei die Tatsache zu Nutze, dass beim frühen Öffnen des Einlassventils die Verbrennung wesentlich später abläuft, als beim späten Öffnen des Einlassventils, wenn alle anderen Parameter konstant gehalten wer- den. Die Stabilisierung der Verbrennung über das Turbulenzniveau eignet sich besonders, um im dynamischen Betrieb einen schnellen Betriebspunktwechsel, etwa vom homogenen Fremdzündungsbetrieb in den homogenen Selbstzün- dungsbetrieb, durchführen zu können. Um dies zu ermöglichen, ist ein Verbren- nungsregler vorgesehen, der sicherstellt, dass in jedem Motorzyklus eine 
Verbrennung stattfindet.

   Dabei wird als Mass für die Lage der letzten Verbrennung eine verbrennungsrelevante Kenngrösse, vorzugsweise der 50%- 
Massenumsatzpunkt, einem Verbrennungsregler zugeführt und zur Stabilisierung der Verbrennung primär der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils beeinflusst. 



   Alternativ dazu ist es aber möglich, das Turbulenzniveau auch durch Verschie- 

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 bung der Ventilüberschneidung oder aber auch durch Verschiebung der Steuer- zeit des Auslassventils zu erreichen. 



  Weiters kann auch vorgesehen sein, dass zur Erhöhung des Turbulenzniveaus einer von mehreren Einlasskanälen pro Zylinder abgeschaltet wird. Genauso ist es möglich zur Erhöhung des Turbulenzniveaus eine Drallverstelleinrichtung im Einlasskanal zu aktivieren. 



  Zusätzlich zur kurzfristigen Erhöhung des Turbulenzniveaus kann auch vorgese- hen sein, dass kurzfristig die Fremdzündung, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 50  bis 10  Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Zündung, aktiviert wird, um den Verbrennungsablauf zu beeinflussen, da aufgrund der Fremdzün- dung Vorreaktionen im Brennraum ablaufen und somit die Verbrennungslage verschoben wird. 



  Um eine Regelung der Verbrennung mit dem Verbrennungsstabilisator zu ermög- lichen, ist es notwendig, für den stationären Motorbetrieb Kennfelder in einer Mo- torsteuerung abzulegen, aus denen für den jeweiligen stationären Betriebspunkt die notwendige rückzuführende Abgasmasse und die notwendige anzusaugende Frischluftmasse ausgelesen werden. Im einfachsten Fall können dies auch Kenn- felder sein, in denen für den jeweiligen Betriebspunkt die Gaswechselventilpara- meter, wie zum Beispiel Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdauer abgelegt sind. 



  Diese Kennfelder dienen als Vorsteuerung und sind auf Normumgebungsbedin- gungen bezogen. Wird die Normumgebungstemperatur verlassen, wird anhand einer Temperaturkennlinie für den Einlassöffnungswinkel die Vorsteuerung korri- giert. Alle weiteren Störgrössen wie zum Beispiel ein schneller Lastpunktwechsel, werden durch den Verbrennungsregler ausgeregelt. 



  Der Verbrennungsregler erfasst zunächst über der aktuellen Motordrehzahl und dem gemessenen indizierten Mitteldruck den aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, um im nächsten Schritt den Sollwert für die Verbrennungslage zu bestimmen. Dieser Sollwert kann ein konstanter Wert für den gesamten Betriebsbereich sein, oder auch in Abhängigkeit vom Betriebs- punkt unterschiedliche Werte annehmen. Anschliessend wird aus einem Kennfeld der elektrische Öffnungswinkel des Einlassventils ausgelesen, der sich beim ge- wünschten Betriebspunkt unter stationären Bedingungen einstellt. Dieser Win- kelwert wird anschliessend über eine temperaturabhängige Kennlinie korrigiert und steht dann dem Verbrennungsregler als Vorsteuerwert zur Verfügung.

   Mit 
Hilfe der Referenzverbrennungslage für den stationären Fall und dem aus z- Arbeitszyklen gemittelten Wert des 50%-Massenumsatzpunktes (wobei z Werte zwischen 1 und 10 annehmen kann) wird die Regelabweichung gebildet und ei- nem Regler zugeführt. Aufgrund der Regelabweichung wird das Turbulenzniveau 

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 im Brennraum entsprechend erhöht. In einem weiteren Schritt ist vorgesehen, dass nach erfolgter Verbrennungsstabilisierung das Turbulenzniveau wieder auf einen, dem jeweiligen stationären Motorbetriebspunkt entsprechenden Wert ver- ändert wird. 



  Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 



  Es zeigen Fig. 1 die Abhängigkeit der Verbrennungslage von der Ansauglufttem- peratur, Fig. 2 die Abhängigkeit der Verbrennungslage vom Einlassventilöff- nungswinkel, Fig. 3 die Abhängigkeit des Frischluftmassenstroms vom Einlassöff- nungswinkel, Fig. 4 eine schematische Ablaufsteuerung des erfindungsgemässen Verbrennungsreglers, Fig. 5 den prinzipiellen Hubverlauf der Gaswechselventile im HCCI-Betrieb und Fig. 6 ein Motorkennfeld mit unterschiedlichen Betriebsbe- reichen. 



  Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der Verbrennungslage, und zwar des 50%- Massenumsatzpunktes MFB 50% - gemessen in Grad Kurbelwinkel vor dem obe- ren Totpunkt OT der Zündung - von der Ansauglufttemperatur T. Dabei zeigt sich, dass die Lage der Verbrennung immer weiter in Richtung des oberen Tot- punktes OT der Zündung wandert, je höher die Ansauglufttemperatur T und in weiterer Folge auch die Mischtemperatur Tmisch der Zylinderladung zur Beginn der Kompressionsphase ist. 



  Das erfindungsgemässe Verfahren macht sich die Tatsache zu Nutze, dass La- dungsbewegung beziehungsweise Turbulenz den Brennverlauf beschleunigt. Eine sehr effektive Massnahme zur Beeinflussung des Turbulenzniveaus im Brennraum besteht darin, die Öffnungszeitpunkte der Gaswechselventile entsprechend zu verstellen. 



  Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Einfluss des Öffnungsbeginnes   &alpha;IO   in Grad Kurbel- winkel auf die Verbrennungslage MFB 50%. Daraus ist ersichtlich, dass beim frü- hen Öffnen des Einlassventils die Verbrennung wesentlich später abläuft, als beim späten Öffnen des Einlassventils, wenn alle anderen Parameter konstant gehalten werden. Somit kann durch Verschiebung des Einlassbeginnes die Lage der Verbrennung und somit auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine beeinflusst werden. Negative Auswirkungen auf die Ladungswechselarbeit können vermieden werden, wenn die Verstellung des Einlassbeginnes zur Turbulenzerhöhung nur als kurzer, der Stabilisierung der Verbrennung dienender Eingriff genutzt wird. 



  In Fig. 5 ist der normierte Ventilhub h über dem Kurbelwinkel a aufgetragen. Die Ventilerhebung der Einlassventile ist mit I, die der Auslassventile mit E bezeich- net. Die zweite Ventilerhebung E der Auslassventile zwischen 270  und 180  

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 dient der Abgasrückführung. Üblicherweise befindet sich der Einlassbeginn 10 zwischen 380  bis 360  Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt OT der Zündung. 



  Wird der Öffnungsbeginn 10 kurzfristig entsprechend dem Pfeil A in Richtung des oberen Totpunktes OT der Zündung verschoben, so kann das Turbulenzniveau im Brennraum kurzfristig erhöht und in weiterer Folge die Verbrennungslage MFB 50% vorverschoben werden, wodurch die Verbrennung stabilisiert werden kann. 



  Nach erfolgter Stabilisierung wird der Einlassbeginn 10 wieder auf den für den entsprechenden Betriebspunkt erforderlichen Wert rückgestellt. 



  Da bei Verstellung des Einlassöffnungszeitpunktes 10 auch die Ladung beeinflusst wird, muss auch die angesaugte Frischluftmasse über der Einlassöffnungsdauer korrigiert werden. In Fig. 3 ist beispielhaft die Frischluftfüllung mL in Abhängig- keit des Einlassöffnungswinkels   &alpha;IO   bei konstanter Einlassöffnungsdauer darge- stellt. Bei allen Figuren, die über dem Einlassöffnungswinkel   &alpha;IO   dargestellt sind, ist zu berücksichtigen, dass es sich bei den angegebenen Winkeln um Ansteue- rungsparameter handelt. Die tatsächlichen Öffnungswinkel weichen deshalb von diesen Winkelangaben ab. 



  Damit der Verbrennungsstabilisator arbeiten kann, ist es notwendig, für den sta- tionären Motorbetrieb Kennfelder zu hinterlegen, aus denen für den jeweiligen stationären Betriebspunkt die notwendige rückzuführende Abgasmasse und die notwendige anzusaugende Frischluftmasse mL ausgelesen werden. Im einfachs- ten Fall können dies auch Kennfelder sein, in denen für den jeweiligen Betriebs- punkt die Gaswechselventilparameter, wie zum Beispiel Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdauer abgelegt sind. Diese Kennfeldwerte dienen als Vorsteuerung und sind auf Normumgebungsbedingungen bezogen. Wird die Normumgebungstem- peratur verlassen, wird anhand der Kennlinie in Fig. 1 die Vorsteuerung korri- giert. Alle weiteren Störgrössen, wie zum Beispiel ein schneller Lastpunktwechsel, werden durch den Regler R ausgeregelt.

   Ein Ablaufdiagramm dieses Verbren- nungsreglers ist in Fig. 4 dargestellt. 



  Der Verbrennungsregler R erfasst zunächst in Schritt 1 über der aktuellen Motor- drehzahl n und dem gemessenen indizierten Mitteldruck   p@   den aktuellen Be- triebspunkt der Brennkraftmaschine, um im nächsten Schritt 2 den Sollwert für die Verbrennungslage MFB 50% zu bestimmen. Dieser Sollwert kann ein kon- stanter Wert für den gesamten Betriebsbereich sein, oder auch in Abhängigkeit vom Betriebspunkt unterschiedliche Werte annehmen. Anschliessend wird im Schritt 3 aus einem Kennfeld der elektrische Öffnungswinkel   &alpha;IO   des Einlassven- tils ausgelesen, der sich beim gewünschten Betriebspunkt unter stationären Be- dingungen einstellt. Dieser Winkelwert wird anschliessend über eine temperatur- abhängige Kennlinie im Schritt 4 korrigiert und steht dann dem Regler R als Vor- steuerwert zur Verfügung.

   Der Vorsteuerwert wird im Schritt 5 der Ventilsteuer- 

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 einrichtung zugeführt. In Schritt 6 werden verbrennungsrelevante Kenngrössen nach erfolgter Verbrennung erfasst und in Schritt 7 über z-Arbeitszyklen gemit- telt. Mit Hilfe der Referenzverbrennungslage für den Stationärbetrieb und dem aus den z-Arbeitszyklen gemittelten MFB 50%-Wert (wobei z Werte zwischen 1 und 10 annehmen kann) wird die Regelabweichung gebildet und dem Regler R zugeführt. Der Reglerausgang kann auf ein Stellgrössensignal normiert werden, so dass der stationäre Vorsteuerwert des Einlassöffnungswinkels   &alpha;IO   mit dem Reglerausgang moduliert wird. 



  Fig. 6 zeigt exemplarisch ein Motorkennfeld, in welchem der indizierte Zylinder- druck   p@   über der Drehzahl n aufgetragen ist. Der homogene Selbstzündungsbe- trieb HCCI findet im unteren Teillastbereich statt. Im mittleren und höheren Teil- lastbereich, sowie an der Volllast wird die Brennkraftmaschine homogen fremd- gezündet betrieben. Dieser Betriebsbereich ist mit SI gekennzeichnet. Die Li- nien G2, G3, G4, G5 deuten verschiedene Getriebeübersetzungen an.

Claims (12)

  1. ANSPRÜCHE 1. Verfahren zum geregelten Betrieb einer Brennkraftmaschine, welche zumin- dest in einem Motorbetriebsbereich homogen selbstgezündet betrieben wird, wobei der Verbrennungsablauf durch Messen zumindest einer verbrennungsrelevanten Kenngrösse aus der Gruppe Verbrennungsbeginn, Verbrennungsdauer und Verbrennungsrate überwacht und ausgewertet wird, und aufgrund der Verbrennungsauswertung zumindest ein verbren- nungsrelevanter Parameter für die nächstfolgenden Verbrennungen geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Verbrennung das Turbulenzniveau im Brennraum verändert wird, wobei zur Stabilisierung der Verbrennung das Turbulenzniveau kurzfristig erhöht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Turbulenzniveaus der Öffnungszeitpunkt zumindest eines Einlassventils in Richtung des oberen Totpunktes der Zündung verschoben wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Turbulenzniveaus einer von mehreren Einlasskanälen pro Zy- linder während des Einlasstaktes abgeschaltet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Turbulenzniveaus eine Drallverstelleinrichtung in zumindest einem Einlasskanal aktiviert wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbulenzniveau durch Verschieben der Überschneidung zwischen Auslassventilöffnung und Einlassventilöffnung verändert wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest ein Auslass- ventil während des Einlasstaktes geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbulenzniveau durch Verschieben der Auslasssteuerzeit während des Einlasstaktes verändert wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass kurzfristig eine Fremdzündungseinrichtung vorzugsweise in einem Be- reich von etwa 50 bis 10 Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt der Zün- dung aktiviert wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als verbrennungsrelevante Kenngrösse der 50%-Massenumsatzpunkt erfasst wird. <Desc/Clms Page number 8>
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsablauf mittels einer Echtzeitzylinderdruckauswertung überwacht wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den stationären Motorbetrieb Kennfelder für die rückzuführende Abgasmenge und die anzusaugende Frischluftmasse in einer Motorsteue- rung abgelegt werden, dass mittels eines Verbrennungsreglers die aktuelle Motordrehzahl und der gemessene indizierte Mitteldruck erfasst und der aktuelle Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bestimmt wird, wobei aufgrund des aktuellen Betriebspunktes durch Vergleiche mit einem Kennfeld für den stationären Motorbetrieb ein Sollwert für die Verbren- nungslage und aus dieser ein Sollwert für den Öffnungswinkel zumindest ei- nes Einlassventils bestimmt wird,
    und dass der Sollwert für den Öffnungswinkel des Einlassventils über eine temperaturabhängige Kennlinie korrigiert wird und dieser temperaturkom- pensierte Sollwert für den Öffnungswinkel als Vorsteuerwert für die Ventil- betätigung verwendet wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Verbrennungslage für eine vordefinierte Anzahl von Arbeitszyklen gemittelt wird und mit der im Kennfeld abgelegten Referenzverbrennungslage für den stationären Fall verglichen wird, und dass aufgrund der Regelabweichung das Turbulenzniveau im Brenn- raum entsprechend angepasst, vorzugsweise erhöht wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolg- ter Verbrennungsstabilisierung das Turbulenzniveau wieder auf einen, dem jeweiligen stationären Motorbetriebspunkt entsprechenden Wert gesenkt wird.
AT0074901U 2001-09-28 2001-09-28 Verfahren zum geregelten betrieb einer brennkraftmaschine AT5217U1 (de)

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